KAPI 一体化虚拟仿真实践体系的建设研究与探索

孙晓宁，王伟礼，孙国勋

山东大学 材料科学与工程学院 山东，济南，250061

摘要：结合专业认证和新工科建设需求，针对现行实践教学体系中存在的问题， 探索研究建设 KAPI 一体化的虚拟仿真实践体系，构建“知识、能力、实践、创 新”于一体的虚拟课程体系，虚实结合，提高实践教学质量，促进学生创新、创业和解决复杂工程问题能力的培养。

关键词：实践教学；虚拟仿真；

KAPI 中图分类号：G642.0 文献标识码：B

Construction research and exploration of KAPI integrated virtual simulation practice system Sun Xiaoning, Wang Weili, Sun Guoxun College of Material Science and Engineering, Shandong University, Shandong, Jinan, 250061 Abstract: Combine with the demands of professional certification and new engineering construction, in view of the current problems existing in the practice teaching system, explore the construction of Knowledge, Ability, Practice and Innovation (KAPI) integrated virtual simulation practice system, to improve the practice teaching quality, cultivate the students’ abilities of innovation, entrepreneurship, and solving complicated engineering problems. Key words: practice teaching; virtual simulation; KAPI 专业认证是国际上广泛采纳的保证和提高高等学校专业教育质量的重要方 法和途径，自 2016 年 6 月我国正式加入《华盛顿协议》以来，越来越多的高校积极推进工程教育专业认证工作，转换 “成果导向的教学设计”教育理念，提高工程教育人才培养对工业产业的适应性 [1] 。 2017 年初，为推动工程教育改革创新， 教育部提出 “ 新工科 ” 建设，先后形成了 “ 复旦共识 ” 、 “ 天大行动 ” 和 “ 北京指南 ” ， 将专业认证和新工科结合起来，探索工程教育的中国模式、中国经验，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的人才。 工程教育专业认证和“新工科”建设都注重了对毕业生工程实践能力的培养。 在中国工程教育专业认证协会制定的工程教育认证标准的 12 项毕业要求中，有 8 项明确涉及到分析、解决复杂工程问题 [2] ，新工科建设的主要目标也包含了培养“多元化、具有创新创业能力的卓越工程人才”[3]。

对学生工程实践能力和创新创业能力的培养成为专业认证和“新工科”建设的重中之重，其关键在于如何将理论与实践结合，将知识向能力转化。实验室和实习工厂是进行实践的主要场所，复杂的工程问题往往来源于工厂生产，抓好实践教学环节，可以巩固和深化理论知识，提高学生理论联系实践的能力，加强学生对复杂工程问题的认识和理解，是培养与提高学生解决复杂工程问题能力和创新创业能力的重要途径。

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2. 实践教学的现状和存在的问题

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   2. 对实践教学的重视度有待提高

以本专业为例，实验课程在成绩评价中的占比较小，无法引起学生足够的重视；重点培养学生工程实践和创新创业能力的如《生产实习》、《创新创业教育实践》和《工程设计与实践》等课程多集中于大四上学期，大部分学生处于考研和找工作阶段，对实践课程往往敷衍了事。

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   3. 生产实习内容和效果大打折扣

实践教学体系的一个重要构成是生产实习，但生产实习的内容和效果近些年逐渐减弱，原因有以下几点：

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      2. 大量学生进厂实习会影响企业正常的生产秩序，给企业的管理带来诸多不便。工科的实习企业大多工艺复杂、规模庞大，许多大型设备和生产流程具有一定的危险性，一旦发生安全事故将对师生和企业造成严重的损失，因此，企业往往不愿意承担学生的生产实习。

      3. 整个生产实习学时约 3~4 周，为了让学生能够充分了解本专业的生产情况，通常会安排多个实习地点，分配到每个点往往只有 1~2 天，实习时间短， 只能进行表面参观，学生很难真正融入生产。

      4. 由于企业管理、场地面积限制和人员安排等原因，生产实习大多以老师带队，技术人员讲解，学生分组参观的方式进行。即使如此，工厂中的噪音、空间等问题也极大地影响了讲解效果，只有少数学生能够较好地接收讲解信息。大部分学生在这种走马观花、离散式的实习方式中，处于被动接收信息的状态， 无法对企业的生产工艺和设备进行全方位的认识，缺乏主动思考，缺少发现问题和分析问题的锻炼机会，实习结束后，学生对许多问题还是感到非常模糊和茫然，

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实习效果不佳。

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   4. 实践教学指导教师队伍相对薄弱

与理论课程不同，实践教学的指导老师需要在实践过程中能够针对学生疑惑， 进行适时的讲解和补充，因此要求指导老师具有较强的工程实践经验和较好的知 识储备。经验丰富的老教师因为精力和体力的原因逐渐退出带队实习，虽然年轻 教师的比重增加迅速，但他们相对缺乏工程实践经验，对企业的生产设备以及工 艺参数和流程不熟悉，很难一开始便胜任实践教学的指导工作；另一方面，青年 教师往往需要承担较多的教学和科研任务，在实践教学中往往投入精力不足，这 种情况下，很容易造成指导教师队伍的“青黄不接”。

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   4. 实践教学的评价考核目标难以落实

实践教学的主要教学目标是培养学生理论联系实际的能力，提高分析问题和解决问题的能力和方法，但现有的考核评价方式往往是实验报告、实习笔记和设计报告。学生的实验报告和实习笔记通常是简单、重复性的内容，教师仅通过这些无法对实践过程进行监控。同时，实习和设计报告内容也不够全面，无法及时有效反映学生的能力是否得到了锻炼。高标准的培养目标和低水平的考核方式之间不可避免地出现矛盾。

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   4. 实践教学的连贯性与一体化不足

以本专业为例，基础性实验和生产实践类课程分散在多个学期进行，从课程设计的角度是逐渐递进、层层提升的关系，通过每年的实践教学达到逐步提升学生工程实践能力的目标。但在实际进行过程中，各类实验和实践课程往往各自进行，前后缺少联系，学生无法将前期积累的实验技能和工程知识应用到后期的设计和生产实践中，不能有效地锻炼和培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。

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3. KAPI 一体化虚拟仿真实践体系的设计

KAPI 是知识（Knowledge）、能力（Ability）、实践（Practice）、创新（Innovation）一体化培养的简称，体现了学科交叉融合、理论与实践结合、知识向能力转化的教育思想，也体现了新工科人才培养所倡导的新理念、新模式、新质量。

传统的实践教学具备为学生提供亲自动手和亲身感受的优点，但因为设备、场地、经费和人员等方面的不足，传统的实践教学模式和新人才培养需求出现了

不匹配的问题。科技的发展为教育、学习、信息共享的方式带来新的变化，虚拟仿真逐渐被引入实践教学中，弥补两者间的欠缺之处，有助于开拓学生工程实践和创新能力的培养途径，特别是在疫情等特殊情况下，虚拟线上实践有望成为线下实践的有力补充。

结合虚拟仿真的优势，本着“虚实结合、相互补充”的基本原则，在实践体系的设计上，基础性实验仍然以学生动手操作为主要教学模式，确保学生能够受到系统的实验技能训练。在此基础上，以生产和工程实践类课程为主要目标，探索构建 KAPI 一体化的虚拟仿真实践体系，建立与发展具有互动性、智能化和个性化的教学方式，提升实践教学的实战性、探究性、讨论性、参与性与连贯性，激励学生参与、分析和解决复杂工程问题，多层次、多角度地实现对知识运用能力和独立解决问题能力的全面提升。

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4. KAPI 虚拟仿真实践体系的组织与实施方式探索

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   2. “虚实结合”的生产实践

针对生产实习中的“走马观花”、“时空限制”等问题，结合本专业特点，建立日用瓷、建筑瓷和卫生瓷的典型虚拟仿真生产线，在其中嵌入人员管理、原料成本和配方计算、工艺参数调整、厂房布局设计等内容，建立如原料来源、主要成分性能，生产工艺流程和参数，生产设备型号、布局和产品、产率等基本数据库。

指导教师提前协调部署，确定实践地点和实习内容后安排学生提前虚拟预习。学生通过操作仿真软件，将自己置身于虚拟工厂中，从整体上了解该类陶瓷产品 基本的生产设备和生产工艺流程。指导教师在数据库中选取和实践内容相关的问 题，经由软件随机分配给学生，引导学生“带着问题进现场”，通过现场观察以及 与工程技术人员交流来解决这些问题，提高学生参与实践的主动性。

现场实践过程中，学生通过实地参观、咨询工程师和老师，掌握产品的整个生产工艺流程和相关原料、设备参数，同时寻求预习问题的答案。在寻找答案的过程中，能够增强组内成员间的交流与合作，提高与企业工作人员的沟通能力， 了解行业发展现状和面临的问题，理解成为一名卓越工程师需要具备的和能力， 为以后的发展方向做好规划。

现场实践结束后，要求学生在线上虚拟仿真生产线中，将现实中的设备或工艺参数等标注在各虚拟设备或工艺处，或在线上系统中选择实践企业中所涉及的

工艺参数，并完成指导教师提出的预习问题。

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   3. 以学生为中心，以能力培养为目标的评价体系

针对生产实践考核和评价中存在的问题，除了将实习笔记和实习报告作为考核依据外，同时引入虚拟操作部分作为考核的一部分，内容涉及虚拟预习的出勤率、互动操作的完成度和回答问题的正确率等，提高学生参加虚拟实践的主动性。

线下生产实践结束后，指导教师随机抽选 1 个或多个实践场所，学生以小组为单位，在虚拟仿真软件中对厂房布局、原材料选择、生产设备、工艺路线、员工数量、日产量等内容进行复盘，小组内成员间通过相互配合、互相沟通和信息共享的方式，从整体、宏观的角度上再一次复习生产实践内容，加深对理论和实践知识的理解和掌握，为后续的工程设计和创新创业实践奠定基础，教师也可以通过这种方式更全面地评价学生对生产实践的掌握程度。

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   4. 虚拟仿真实践体系的效果评价与持续改进

每年对学生进行问卷调查，收集学生在虚拟实践中遇到的问题，鼓励学生对虚仿内容提出建议，针对存在的问题和提出的建议，与虚拟软件开发厂家沟通合作进行改进，缩短虚拟程序与真实生产间的距离，避免学生现场实践时的不适应； 另一方面，每年对毕业要求指标点的达成度等进行评价，及时进行“虚+实”教学模式的补充、修订，优化该教学模式的构成、实施方法和评价体系，提高“虚实结合”生产实践模式的实质教学效果。

指导教师在每年的实践过程中，通过与企业技术、管理人员的交流，收集整理相关技术数据和企业在生产过程中遇到的复杂工程问题，将其纳入虚拟仿真实践数据库，不断提升数据库的更新率、充实度、时效性和开放程度，扩展虚拟仿真的适用范围。数据库内容达到一定程度后，可以在生产实践的考核评价中，引入数据库中的复杂工程问题案例，引导学生进行数据分析、探讨研究，实现对学生综合能力的培养。

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   5. 推动教师能力的培养

针对年轻教师工程实践经验不足的问题，利用虚拟仿真软件进行师资培训， 通过虚拟实践促进教师教学水平和实践能力的提高，有助于教师指导学生解决复杂工程问题。

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   6. 虚拟仿真实践体系的 KAPI 一体化推进

单纯依靠一门或几门实践课程无法实现对学生创新、创业实践能力和解决复杂工程问题能力的培养，具有连贯性的多层次的实验和实践课程的组织、实施， 并将虚拟仿真贯穿于实践课程的始终，有望推进整个实践体系的一体化进程。

本专业生产实习完成后，将进行创新创业工程实践和工程设计实践等实践课程，在组织和实施这些课程的时候，提倡指导教师在生产实习的基础上设计题目， 如设计、改进窑炉、生产线、球磨机等，这样学生在一定程度上可以利用现有的虚拟仿真生产线完成设计，不再仅限于“纸上谈兵”，除了可以进一步强化实习效果，还能够培养学生解决实际工程问题的能力。与此同时，在虚拟生产线的基础上，引入工程案例、管理、创业等内容，探讨虚拟仿真生产实习在工程实践、“双创”中的应用。通过虚拟案例教学法，让学生在虚拟的环境中进入工程情景现场，成为工程师和创业者，模拟生产或创业，以寓教于乐、容错探究的方式，体验工程、创业的得失，提高学生的实践能力、创新能力和发现、分析、解决问题的能力。

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5. 结语

结合学科发展和人才培养需求，建设 KAPI 一体化的虚拟仿真实践教学体系和教学资源，有助于调动师生积极性，为现有的实践教学体系提供有利的补充和拓展，能够满足学生从基本技能掌握、工程实践能力训练到创新、创业能力培养的要求，实现“新工科”人才培养的目标。

参考文献

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2. 李志义, 解析工程教育专业认证的成果导向理念, 中国高等教育, 17 (2014) 10.

3. 中 国 工 程 教 育 专 业 认 证 协 会 ,

https://www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/599711/index.html, 2017.

3. 
   

4. 钟登华, 新工科建设的内涵与行动, 高等工程教育研究, 3 (2017) 6.

基金项目：山东大学教育教学改革研究项目(2020Y301)

作者简介：孙晓宁（1982-），女，山东枣庄，博士，实验师，主要从事实验教学、实验室建设与管理等工作